水性無機富鋅與環(huán)氧富鋅涂料的比較

       富鋅涂料（底漆）分為有機和無機兩大類，有機類主要采用環(huán)氧樹脂作粘結劑（基料），而水性無機富鋅涂料則以硅酸鈉、鉀、鋰水溶液（基料）為粘結劑。 
 

       經(jīng)歷了近 70 年 3 代產(chǎn)品的開發(fā)和實踐，水性無機富鋅涂料以其優(yōu)異的防腐蝕性、自修復性、耐熱性、耐溶劑性、可焊性和零 VOC 排放，在大氣和海洋重防腐工程中取得令人滿意的效果，得到愈來愈多業(yè)內(nèi)人士的認同。
 

       近年來，各國為控制 VOC 的排放量，制定了日益嚴格的法規(guī)。在國外，水性無機富鋅涂料替代有機類富鋅涂料已成為最重要、使用最普遍的重防腐涂料品種。 
 

       雖然國內(nèi)尚未制定 VOC 排放法規(guī)，但隨著國人環(huán)保意識的增強以及對水性無機富鋅認識的提高，自 20 世紀 90 年代開始，水性無機富鋅涂料已在國內(nèi)逐步推廣。天津化工研究設計院自 80 年代初就對水性硅酸鋰富鋅涂料進行開發(fā)研制，成為國內(nèi)最早研究、生產(chǎn)、應用該產(chǎn)品的單位，至今已廣泛應用于大型原油貯罐、各類管道、大型建筑鋼鐵構件、海洋平臺等大型設施領域，但由于國內(nèi)使用該類涂料時間尚短，加上缺乏環(huán)保意識，因此目前國內(nèi)作為重防腐底漆多數(shù)仍采用環(huán)氧富鋅涂料，本文對這兩種富鋅涂料（底漆）的性能從理論和實踐上作了比較全面的闡述，以引起人們的關注并與業(yè)內(nèi)人士共同探討。
 

       1 性能比較
 

       1.1 屬性
 

       水性無機富鋅涂料以硅酸鹽為成膜反應物與鋅反應生成硅酸鋅網(wǎng)狀結構，因此可稱為無機硅酸鋅涂料，屬綠色環(huán)保型涂料。

環(huán)氧富鋅涂料是以環(huán)氧樹脂為成膜物并以有機溶劑為稀釋劑的涂料，屬有機類涂料。
 

       1.2 附著力
 

       水性無機富鋅涂料由于硅酸鹽與鋅粉反應的同時還與鋼鐵反應形成硅酸鋅鐵絡合物，因而對鋼鐵表面形成很強的化學鍵，從而可抵抗水、海水、有機物、氯化物等的侵蝕。
 

       環(huán)氧富鋅涂料的附著力靠樹脂對鋼鐵表面的粘結力，屬物理吸附，初始附著力較好，但有機物的耐候性差，在惡劣環(huán)境下更易老化，從而附著力慢慢降低。

 

       1.3 耐蝕性能 
 

       富鋅涂料的防銹蝕機理是通過鋅與鋼鐵基材表面直接接觸，當腐蝕介質(zhì)滲入漆膜與鋼鐵界面就會形成一個由鋅 - 鋼鐵組成的原電池，因鋅的電化學活性（標準電極電位為 -0.763 V ）較鐵（ -0.449 V ）活潑，鋅為陽極失去電子而犧牲，鐵為陰極得到電子而得到保護，即所謂鋅起到了陰極保護作用。 
 

       另外犧牲的鋅形成 Zn 2+ 與空氣中的水分和二氧化碳反應生成堿式碳酸鋅［ 3Zn （ OH ） 2 · 3ZnCO 3 ］等產(chǎn)物，這些不溶于水、不導電的腐蝕產(chǎn)物填充在漆膜空隙中，如某點鋅粉已消耗（或有漏點或缺損）則腐蝕產(chǎn)物就會沉積在此處基材上形成致密膜，阻擋、屏弊腐蝕因子透過，從而進一步延長防銹蝕的時間，這些反應的結果即所謂富鋅漆具有自修復性能。 
 

       不論水性無機富鋅涂料還是環(huán)氧富鋅涂料，均具有陰極保護作用和自修復性能。 
 

       但水性無機富鋅涂料由于硅酸鹽在同鋅粉反應的同時還與基材金屬鐵反應形成很強的化學鍵結合，而環(huán)氧富鋅涂料僅為物理吸附，而且有機質(zhì)導電性能較差，要獲得同樣的陰極保護效果時，環(huán)氧富鋅涂料干膜中的鋅含量應更高些。例如美國鋼結構涂裝協(xié)會 SSPC 某一型號富鋅漆中對鋅粉含量作了規(guī)定，為了該漆能導電而起陰極保護作用，該類漆的干膜中最低含鋅量為：無機富鋅為 74% ，環(huán)氧富鋅則為 77% 。另外尚有實驗證明，在無機富鋅和環(huán)氧富鋅底漆中加入磷鐵粉 Fe 2 P 取代一部分鋅粉，其陰極保護時間對無機富鋅涂料而言，即使 Fe 2 P 含量達到 24% 與不含 Fe 2 P 時基本相當，但對環(huán)氧富鋅涂料而言，即使鋅含量高達 97% ，其耐蝕期仍遠遠不及無機富鋅涂料，而少量摻入 Fe 2 P ，其陰極保護作用就會迅速消失。 
 

       因此，無機富鋅涂料的耐腐蝕性遠優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料。據(jù)（美國）國家航空航天總暑（ NASA ）報告（表 1 ），在各類富鋅涂料中，耐腐蝕性最佳的為水性無機富鋅涂料，它在海洋大氣條件下的使用壽命至少為 25 年。 
 

       表 1 各類富鋅涂料在海洋大氣中的使用壽命對比

       工程中各類構件經(jīng)涂裝底漆后，下一步組裝時切割和焊接是主要的加工作業(yè)，因此底漆的可切割性和可焊接性，即其耐熱性能十分重要，即在作業(yè)時漆膜的燒損面積應小，一般蔓延應在 10~ 25 mm 內(nèi)，水性無機富鋅涂料在形成硬化膜時以聚硅氧烷（ Si — O — Si ）相結合，這種 Si — O 鍵的結合能為 445.2 kJ/mol ，比形成有機高分子的 C — C 鍵結合能（ 346.9 kJ/mol ）大得多，因而無機富鋅涂料比環(huán)氧富鋅涂料具有更強的耐熱性，長期可耐 400 ℃ ，瞬間 800 ℃ 。顯然在焊接和切割等熱加工時燒損面積前者比后者要小。

 

       1.5 導靜電性
 

       一般可用于防止和消除靜電的導電涂料的電阻率為 10 6 ~10 8 Ω · cm 。當水性無機富鋅涂料干膜中鋅含量≥ 74% 時，其電阻率一般為 10 3 ~10 8 Ω · cm （符合石油部防靜電標準），遠低于一般導電涂料，即水性無機富鋅涂料消除靜電的性能遠好于一般導電涂料。據(jù)報導，在各類大型原油儲罐、溶劑儲罐和燃油儲罐中采用無機富鋅涂料涂裝成功的實例已經(jīng)很多，天津化工研究設計院與天津中油渤星工程科技公司合作于 2000 年在海洋石油總公司綏中 36-1 項目中將 WZ-116 水性無機富鋅涂料用于 2~5 萬 m 3 大型原油儲罐的內(nèi)防腐，至今運行情況良好。
 

       因有機物導電性能較差，因此環(huán)氧富鋅的導靜電性不及水性無機富鋅涂料，見表 2 。
 

       表 2 水性無機富鋅涂料與其它導電涂料導電性能比較

       這是水性無機富鋅涂料的一個突出性能，幾乎在所有烴類溶劑（包括原油、燃料油、汽油、甲苯、二甲苯以及其它脂肪烴和芳香烴石油產(chǎn)品）中都不溶。對許多強溶劑，如醚、酮以及氯化烴均具有很強的抵抗能力。
 

       環(huán)氧富鋅涂料因以環(huán)氧樹脂為粘結劑，屬有機類，顯然對原油等的抵抗性能遠不及水性無機富鋅涂料。
 

       1.7 環(huán)保安全性
 

       水性無機富鋅涂料以水為稀釋劑，零 VOC 排放，無閃點、不燃、不爆、無味、無毒、無污染。不但保障了工人的健康和環(huán)境的舒適感，而且無需采取任何防火措施，大大簡化了施工條件，既節(jié)省費用又提高了效率和安全性。 
 

       環(huán)氧富鋅涂料，不但環(huán)氧樹脂本身為有機物，并以有機溶劑，如苯、二甲苯等為稀釋劑，顯然其環(huán)保和安全性無法與水性無機富鋅涂料相比。 
 

       1.8 配套性能
 

       一般來說，環(huán)氧富鋅涂料較易與各類面漆配套，水性無機富鋅涂料除油性漆和醇酸漆不能配套外，可與目前普遍使用的環(huán)氧、丙烯酸、聚氨酯、乙烯類漆配套，如涂環(huán)氧過渡層漆則可與更多的面漆配套，且效果更佳。 
 

       雖然一般來說水性無機富鋅底漆的配套性能不如環(huán)氧富鋅底漆，但目前可配套的面漆品種仍很多，完全能滿足防腐工程的需求。 
 

       1.9 施工性能 
 

       （ 1 ） 基材表面處理 
 

       水性無機富鋅漆在成膜過程中與鋼鐵表面形成化學鍵，因此對基材表面的處理要求嚴格，必須達到 Sa 2.5 級，并使表面有一定的粗糙度，增加表面積，確保鋅粉能同鋼鐵緊密接觸。
 

       環(huán)氧富鋅涂料附著力主要由有機樹脂對基材的物理吸附貢獻，因此對基材表面處理程度可相應降至 Sa 2.0 級，但實際施工中也要求達到 Sa 2.5 級。值得指出的是，在重防腐領域， Sa 2.5 級是普遍采用的級別，目前噴砂（噴丸）技術完全可以達到。
 

       （ 2 ） 施工環(huán)境問題 
 

       水性無機富鋅涂料以水為稀釋劑，只有通過水分的揮發(fā)才能使?jié)衲ば纬晒杷徜\致密網(wǎng)狀結構的漆膜，因此這類涂料對施工環(huán)境，如氣溫、濕度、風力等比較敏感，相比之下，環(huán)氧富鋅涂料由于以有機溶劑為稀釋劑，較少受環(huán)境的影響。 
 

       值得提出的是， WZ-116 系列水性無機富鋅涂料已能滿足不同環(huán)境條件下的施工要求。另外，對自動涂裝流水線作業(yè)而言，因基本呈封閉型，大大削減了外部氣候環(huán)境的影響，對水性無機富鋅涂料的施工十分有利。
 

       2 結語 
 

       （ 1 ） 水性無機富鋅涂料因其硅酸鹽粘結劑在與鋅粉反應的同時還與基材鋼鐵反應，系化學鍵相結合，其耐蝕性，作為重防腐涂料的使用壽命，大大優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料。

       （ 2 ） 水性無機富鋅涂膜的耐熱性、耐有機溶劑性、導電性均優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂膜，因而更適合作為各類油品儲罐的內(nèi)防腐涂料。

       （3 ） 顯然，水性無機富鋅涂料的環(huán)保安全性能大大優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料。

       （ 4 ） 雖然水性無機富鋅涂料對施工環(huán)境條件較為敏感，但 WZ-116 系列產(chǎn)品在這方面已有很大改進，可適應不同施工環(huán)境的需求。

       （ 5 ） 隨著環(huán)境保護愈來愈受到全世界的關注，各國為節(jié)約能源和控制 VOC 的排放量，制訂日益嚴格的法規(guī)，人們的環(huán)保意識也日益增強，盡量采用質(zhì)高又環(huán)保的產(chǎn)品已成為人們的共識，水性無機富鋅涂料代替環(huán)氧富鋅涂料已成為一種趨勢。